1 引言
嵌入式系統(tǒng)已經發(fā)展成為應用最廣的計算機系統(tǒng)［1］。SOC（System On a Chip）則是嵌入式系統(tǒng)的研究和開發(fā)熱點。SOC 的核心概念是把整個系統(tǒng)集成到一片半導體芯片上。目前SOC 的中文名稱還不統(tǒng)一，可被叫做集成系統(tǒng)芯片、系統(tǒng)芯片或片上系統(tǒng)等?；诳删幊唐骷?strong>FPGA（Field programmable Gate Arrays）的SOC 可被稱作SOPC（System on a Programmable Chip）或PSOC(Programmable SOC) ［2］。基于FPGA 的設計為可重配置（reconfigurable）的SOC 的開發(fā)帶來了方便［3］。SOC 運用現代計算機和微電子學的高技術，實現單片系統(tǒng)集成，減小了體積、提高了運行效率、增強了可靠性、降低了功耗、減少了成本，因此被稱作嵌入式系統(tǒng)應用的理想結構和高端形式。
IP（Intellectual Property）是SOC 設計不可或缺的部分。在某種程度上，可以說SOC=MP+IP。微處理器MP（Microprocessor）是SOC 的核心。IP 是SOC 各種功能實現的模塊。IP 模塊也被稱作IP 核，IP 核又可分為硬核、軟核、固核［4］。由于SOC 是針對某種應用或對象設計的專用系統(tǒng)，系統(tǒng)的實現很大程度上依賴于功能模塊的設計。此外，許多MP 核可以在市場上買到。因此，IP 模塊的開發(fā)已成為許多用戶設計SOC 的主要工作。
本文側重于介紹IP 模塊中組件控制器的設計和實現。一個基于FPGA 的LCD 控制器設計作為例子被介紹。這個組件控制器設計屬于固核IP 設計，也就是軟硬結合的方法。設計內容主要包括電路結構、VHDL 框架和仿真結果。該設計實現了面向可重配置SOC 的單指令驅動LCD 操作。
2 SOC 組件與組件控制器
SOC 組件是SOC 為實現某種操作功能所需要的器件或設備。這些組件可以是內部的也可以是外部的，如LCD、鍵盤、設備驅動器等是外部組件，電子轉換器、變換器、放大器等則屬于內部組件。無論是內部，還是外組件，其控制單元都要被設計在SOC 內部。作為一個系統(tǒng)的核心，SOC要完成運行、操作或控制功能，必須有相應的組件配合。而多數組件，尤其是外部組件在SOC 內都要有一個對應的控制器。所以，為了實現應用對象操作，SOC 要設計相當數量的組件控制器。組件控制器的設計，對SOC 而言就是一些IP 模塊的設計。
SOC 與外部組件的基本關系見圖1。相對于外部組件而言，SOC 由微處理器核MP（microprocessor）和相關的控制器IP 構成。為了得到最優(yōu)的控制效率，SOC 的MP 常常被設計成可重配置（reconfigurable）的MP［5］。這意味著用戶可對MP 的一些配置進行修改和添加以適應應用系統(tǒng)的需要，如用戶可以對MP 的指令系統(tǒng)進行重新配置，設計加入用戶需要的專用指令。為了區(qū)別于一般的MP，圖1 中的給出了SOC-MP 來代表用于SOC 的MP 核
圖1 SOC 與外部組件的基本關系
SOC的組件控制器與專用指令配合可以實現一些復雜操作的單指令運行，從而大大提高了SOC應用系統(tǒng)的操作速度和運行效率［6］。這也正是嵌入式系統(tǒng)的專用設計特性和高效控制優(yōu)勢的體現。
盡管SOC 的IP 核分為硬核、軟核、固核，對于非專業(yè)集成電路設計的用戶來說，多數采用基于FPGA 的設計方法。實際上也就是軟硬結合的IP 固核設計。本文介紹的是一種用VHDL 硬件描述語言在FPGA 上設計SOC 外部組件控制器IP 的方法。
3 LCD 控制器的設計
液晶顯示器 LCD（Liquid Crystal Display）是SOC 的一種外部組件，會經常被用到。為了實現SOC 對LCD 的高效管理，要設計一個LCD 控制器IP 模塊。這個模塊被命名為lcd_fct。外部組件LCD 與SOC 的關系與控制結構可參考圖2。
對照圖1 可以看出，圖2 中的lcd_fct 是外部組件控制器IP，它位于LCD 和MP 之間，通過數據（data）、地址線（address）、控制（control, write_e）和信號線（lcd_busy）等與MP 和LCD 建立聯系。
圖2 外部組件LCD 的SOC 控制結構
在這個設計中對LCD 控制器lcd_fct 的要求是：lcd_fct 接受來自MP 的指令，如初始化、清屏和顯示等。lcd_fct 按照指令的要求產生一系列控制信號和相應的時序來控制LCD 模塊完成相應的操作。實際上，lcd_fct 對LCD 模塊的操控主要包括LCD 初始化、清屏、傳送顯示數據和地址。
當lcd_fct 的輸入信號reset 是低電平時，復位電路（Reset Circuit）開始工作，進行初始化操作、對標志和狀態(tài)清零、設定相關常數等。
時鐘調節(jié)電路（Clock Regulator）主要為定時器提供具有高質量波形的時鐘。為滿足運行中不同時序的需要, lcd_fct 中設計了微秒定時器（μs Timer）和毫秒定時器（ms Timer）。定時的時間常數被放在時間常數寄存器（Time Constant Register）中。
從MP 來的地址（addrin）和控制（write_e）信息被送到譯碼器（Decoder）。譯碼器根據不同的地址和控制信息產生相應的指令標志，如復位、清零等。并把指令標志送給控制電路（Control Circuit）。
控制電路（Control Circuit）是lcd_fct 的核心。它控制數據輸入寄存器（Data_in Register）、數據輸出寄存器（Data_out Register）、狀態(tài)寄存器（State Register）、控制寄存器（Control Register）和時間常數寄存器（Time Constant Register）?？刂齐娐犯鶕噶顦酥竞蜁r序來操作不同的寄存器，實現lcd_fct 的管理和運行。
數據輸入寄存器接受來自MP 的數據并根據需要送數據到數據輸出寄存器。數據輸出寄存器把數據通過數據線lcd_db 送到LCD 模塊的數據總線上。這個數據既可能是要顯示的數據，也可能是指令。
控制寄存器產生操作LCD 的控制信號，如LCD 中選信號（lcd_e）、LCD 內部寄存器選擇信號（lcd_rs）和LCD 讀寫信號（lcd_r_w）。
狀態(tài)寄存器在LCD 處于工作下，會產生LCD 繁忙信號（lcd_busy）。這意味著，LCD 此時不會接受其它指令。與其它信號不同，lcd_busy 是發(fā)送給MP 的。
實際上lcd_fct 的運行操作主要是對各種控制、狀態(tài)和數據信號進行管理。
4 FPGA 設計和仿真
在 lcd_fct 的FPGA 設計中，主要采用的VHDL 語言的程序設計［7］、MAX Plus－II 仿真以及SOC 和LCD 的實際連接調試。lcd_fct 的HVDL 設計框架如下：
Library
Entity lcd_fct is
Port( );
End lcd_fct;
Architecture struct of lcd_fct is
Signal
Constant
Begin
Res: process;
Clk :clk_div;
LCD: process;
Begin
If init then
Initialization;
Elsif clr then
Clear LCD;
Elsif addr then
Write address to LCD RAM;
Elsif data then
Write data to LCD RAM;
End if;
End process;
Us: ustimer;
Ms: mstimer;
End struct;
LCD 控制器IP 模塊lcd_fct 的仿真結果如圖3 所示。在圖中左側的信號就是lcd_fct 的輸入／
輸出信號。
圖 3 lcd_fct 的功能仿真
當把write_e 設置成高電平時，指令寫入lcd_fct。對于讀寫控制信號lcd_r_w 來說，低電平為寫操作，高電平為讀操作。由于該仿真都是lcd_fct 對LCD 進行寫操作，lcd_r_w 始終為低電平。圖中通過addrin 的變化來代表不同的指令。
在addrin 等于7FFF 時，lcd_db 被賦值01。這意味著LCD 被清屏。當addrin 等于7FFE，且data_in 送入31 時，lcd_db 被賦值31，LCD 就會顯示“1”。 Addrin 被設置成7FFD，且data_in 等于8 時，被顯示的字符將出現在顯示屏的第8 個字符的位置，實現了定位顯示功能。
當addrin 被賦值7FFC 時，LCD 被初始化。初始化包括功能設置、關閉顯示、打開顯示、清屏、顯示移位和工作方式設置等操作。
由此可見，只要在SOC 的MP 中加入適當的指令，可以對addrin 進行控制，SOC 就可以完成對LCD 的管理。由于本設計中SOC 的MP 是可重配置MP，添加或修改指令是不存在問題的。仿真表明，lcd_fct 的設計達到了設計目標，操作結果是令人滿意的。一般的LCD 程序控制完成一項操作（如初始化）需要執(zhí)行多條軟件指令。用FPGA 設計的lcd_fct 只要一條指令就能完成相應的操作，而且是硬件運行，效率提高了許多倍。
5 結論
組件控制器的設計是SOC 設計的重要組成部分。采用FPGA 是完成組件控制器設計的有效手段。通過LCD 控制器的設計和仿真，說明基于FPGA 的組件控制器可以用一條指令完成原來許多條指令才能完成的操作，可以大大提高系統(tǒng)的運行效率。因此，這是一項有意義的工作。
本文作者創(chuàng)新點在于把FPGA 設計和SOC 的組件控制器聯系起來，并通過一個具體例子介紹了如何設計單指令驅動的組件控制器。
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